近20 年河池市植被覆蓋度時空演變特征

覃弼勇，黃肖寒，陳燕麗，莫建飛，韋春苗

(1.河池市氣象局，廣西 河池547000 2.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，南寧 530022)

前言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要一部分，植被覆蓋的變化會直接影響當?shù)厣鷳B(tài)平衡及環(huán)境質(zhì)量，植被動態(tài)變化研究已成為國內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注的熱點之一［1-3］。在人類活動和自然環(huán)境的演變下，河池市植被覆蓋情況也相應(yīng)發(fā)生了變化。近年來有部分學(xué)者對河池植被變化、植被恢復(fù)進行了研究，并取得了一定的成果。童曉偉［4］等利用1999—2010 年SPOTVGT NDVI 數(shù)據(jù)，通過趨勢分析和偏相關(guān)分析法對河池植被變化趨勢、植被與氣候、地形的關(guān)系進行了分析，指出河池植被受氣候因子和地形影響，整體上呈恢復(fù)趨勢。梁釗雄等［5］選取河池市巖溶地區(qū)1990年、2000 年和2010 年3 個時相的TM 影像，基于NDVI 的像元二分模型方法分析指出：近20a 來河池高植被覆蓋區(qū)的面積已增加到53.66%，且?guī)r溶區(qū)域低植被覆蓋區(qū)域的面積變化率比非巖溶區(qū)的大。汪明沖等［6］學(xué)者對河池喀斯特區(qū)域植被覆蓋變化景觀、植被恢復(fù)模式土壤性狀等進行了研究。覃榮勇等［7］在對河池宜州和環(huán)江縣進行實地調(diào)查、植被恢復(fù)模式進行分析的基礎(chǔ)上，指出與豆科植物混交的植被恢復(fù)模式有利于石漠化土地植被恢復(fù)。以上學(xué)者的研究鮮見針對河池植被覆蓋年際變化趨勢(2010 年以來)進行相關(guān)研究。

河池市退耕還林工程于2001 年在東蘭縣試點，2002 年在全市11 個縣(區(qū))全面鋪開，通過采取植被管護、封山育林、人工造林等措施恢復(fù)巖溶石漠化植被，巖溶區(qū)植被恢復(fù)明顯。河池市石漠化治理工程開始于2008—2010 年，都安、環(huán)江、大化、鳳山首批作為石漠化綜合治理示范縣，開始實施石漠化治理工程，到了2011 年石漠化治理工程在全市11 個縣(區(qū))全部鋪開。近年來，在人類活動、氣候變化等多種因素的共同作用下，河池植被覆蓋年際變化趨勢是相關(guān)部門一直關(guān)注的問題?；诖吮尘?，本文選取河池市為研究對象，基于遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，利用河池市2000—2019 年的MODIS 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對該地區(qū)植被覆蓋度進行分析。本研究旨在及時有效的掌握該地區(qū)植被覆蓋度的變化特征，為地方植被資源保護、合理開發(fā)及可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)概況

河池市地處廣西西北邊陲、云貴高原南麓，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。河池地勢西北高，東南低，境內(nèi)地形多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，山地、丘陵和各種地表、地下喀斯特發(fā)育廣泛，喀斯特地貌面積占全市土地總面積的49.7%［8］。本研究區(qū)域包括10 個縣(區(qū))：金城江區(qū)、宜州區(qū)、都安縣、南丹縣、天峨縣、東蘭縣、巴馬縣、鳳山縣、羅城縣、環(huán)江縣。因大化縣無國家氣象站，故不作為研究區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)及處理

遙感數(shù)據(jù)采用2000—2019 年植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，空間分辨率為250m，數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局，MOD13Q1 遙感數(shù)據(jù)進行了圖像鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換及質(zhì)量檢驗等處理步驟得到歸一化植被指數(shù)NDVI 數(shù)據(jù)集。

1.3 研究方法

1.3.1 最大值合成法

采用最大值合成法［9］將NDVI 旬數(shù)據(jù)合成為月數(shù)據(jù)，并將各月最大值合成為年數(shù)據(jù)。該方法通過選取某一時間段內(nèi)的NDVI 最大值，從而進一步消除大氣、云、太陽高度角等多種因素的干擾。

式中：NDVIi為第i 個月或第i 年的NDVI 值；NDVIi，j為 第i 月的第j 個16d 的NDVI 數(shù)據(jù)或第i年的第j 月的NDVI 數(shù)據(jù)。

1.3.2 像元線性分解模型

植被覆蓋度是指植被在地上部分垂直投影面積占地面面積的百分比，是衡量生態(tài)綠化程度的量化指標。根據(jù)像元線性分解模型，利用NDVI 計算植被覆蓋度的公式，表達式如下［10］：

式中：植被覆蓋度為fg；NDVI0為裸土地或完全沒有植被覆蓋的區(qū)域的NDVI 值；NDVIg代表植被完全覆蓋區(qū)域像元的NDVI 值。

1.3.3 逐像元趨勢分析法

植被覆蓋度變化趨勢率可用來反映植被覆蓋在一段時間內(nèi)的變化速度，本研究運用線性趨勢法分析河池2000—2019 年植被覆蓋度的整體變化趨勢。計算公式為［11］：

式中：slope 為植被覆蓋度變化趨勢的斜率；n 為20a，Ci 為第i 年的年最大植被覆蓋度。當植被覆蓋度變化趨勢率為正值，表明該地區(qū)在一段時間內(nèi)的植被覆蓋度呈現(xiàn)上升趨勢；反之，負值表示呈現(xiàn)下降趨勢。絕對值表示變化的快慢程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 河池市植被覆蓋度時間變化特征分析

2.1.1 河池市植被覆蓋度月際變化特征

對河池1—12 月各月植被覆蓋度特征進行分析(見圖1)：河池1—12 月植被覆蓋度上升速率為1.42%/月，年平均值為71.14%，月最大值出現(xiàn)在8月(82.08%)，月最小值出現(xiàn)在2 月(54.05%)。1 月和2 月的植被覆蓋度低于60%，3 月、12 月植被覆蓋度介于60%～70%之間，4、5、10、11 月的植被覆蓋度介于70%～80%之間，6—9 月植被覆蓋度均大于80%。

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是“健康中國”的有效推進，體育作為特殊的身體練習(xí)項目之一，既能滿足人們的健康需要，也能提升人們的生活品質(zhì)，體育健身健康逐漸成為人們生活的必需．習(xí)近平在黨的十九大報告中指出：中國特色社會主義進入新時代，我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾 [1]．健康與養(yǎng)生已成為人們對美好生活的基本需求之一，滿足人民對體育健康和養(yǎng)生的需求已成為一種社會責(zé)任．從民族傳統(tǒng)武術(shù)文化傳承的視角，探索和構(gòu)建民族傳統(tǒng)養(yǎng)生與健康高素質(zhì)人才的培養(yǎng)模式，是一個全新且具挑戰(zhàn)性的嘗試．

圖1 河池植被覆蓋度月際變化特征

2.1.2 河池市植被覆蓋度季度變化特征

各季度河池市植被覆蓋度特征見圖2。夏季(6—8 月)的植被覆蓋度最大(81.01%)，其次為秋季(9—11 月)的植被覆蓋度為75.92%，春季(3—5 月)的植被覆蓋度為70.30%，冬季(12—2 月)的植被覆蓋度最小(57.32%)。

圖2 河池植被覆蓋度季度變化特征

2.1.3 河池市植被覆蓋度年際變化特征

據(jù)衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，經(jīng)Arcgis 區(qū)域統(tǒng)計功能計算獲取年均植被覆蓋度值，用其表示當年河池市的植被覆蓋水平。2000—2019 年河池植被覆蓋度總體呈現(xiàn)明顯上升趨勢(圖3)，植被覆蓋度持續(xù)改善，上升速率為6.84%·(10a)-1，20a 均值為72.83%，其中2019 年植被覆蓋度繼續(xù)保持增長趨勢，達到79.6%，為近20a 來最高。河池市植被覆蓋度在2000—2019 年期間大致可以劃分為以下五個階段：2000—2003 年，植被覆蓋度呈現(xiàn)明顯上升趨勢；2003—2004 年，植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢；2004—2013 年，植被覆蓋度呈現(xiàn)“W 型”的波動過程，但總體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢；其中2013 年植被覆蓋度達到最大值；2014—2015 年，植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢；2015—2019 年，植被覆蓋度呈現(xiàn)“上升—基本持平”的趨勢，且每年的植被覆蓋度高于20a 平均值。

圖3 2000—2019 年河池植被覆蓋度年際變化

利用本年度與上一年的差值得到河池2000—2019 年際植被覆蓋度差異圖(圖4)。整體上看，年度植被覆蓋度數(shù)值增長的幅度遠大于減少的幅度，即植被覆蓋度總體呈現(xiàn)上升趨勢，植被覆蓋度逐步改善，這與植被覆蓋度年際變化特征圖所反映的趨勢是相同的。其中：2002—2003 年、2003—2004 年、2005—2006 年、2007—2008 年、2011—2012 年、2013—2014 年和2014—2015 年的植被覆蓋度差值是負值，說明2003 年、2004 年、2006 年、2008 年、2012 年、2014 年以及2015 年與上一年相比，植被覆蓋度是降低的，其中2003—2004 年度植被覆蓋度降低最多。其他年度植被覆蓋度差值為正值，其中2000—2001 年植被覆蓋度增加比其他年度要大。植被覆蓋度降低主要原因由于一些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城區(qū)的改造。氣候變化對植被覆蓋度的影響還需進一步研究。

圖4 2000—2019 年河池植被覆蓋度年際差異

2.2 河池市植被覆蓋度空間變化特征分析

2.2.1 河池市植被覆蓋度空間變化速度特征

通過Arcgis 區(qū)域統(tǒng)計功能計算獲取河池植被覆蓋度變化趨勢。在過去的20a，全市99.4%的區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)正向變化，表明植被覆蓋度變化速度得到了提高，植被得到了改善。尤其是大化縣西部(乙圩、北景、巖灘、羌圩鎮(zhèn))、巴馬縣南部(燕洞、那桃、百林鎮(zhèn))及環(huán)江縣中西部(洛陽、川山、水源、下南鎮(zhèn)) 等區(qū)域的年變化趨勢率明顯高于全市平均增長速度。天峨縣中部向陽鎮(zhèn)、羅城縣北部(寶壇、兼愛、納翁鄉(xiāng))呈現(xiàn)出負向變化。因城區(qū)發(fā)展土地被改造，可能對植被造成了一定影響。

依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》［12］，將河池市植被覆蓋度值劃分為6 個等級：＜0%為無植被覆蓋度；0%～30%為低植被覆蓋度；30%～45%為較低植被覆蓋度；45%～60%為中等植被覆蓋度；60%～75%為較高植被覆蓋度；＞75%為高植被覆蓋度。對2000—2005 年、2006—2010 年、2011—2015 年、2016—2019 年四個時間段的植被覆蓋度進行等級劃分，分級結(jié)果見空間分布圖5。相比2000—2005 年和2006—2010 年兩個時間段，2011—2015 年 和2016—2019 年兩個時段的植被覆蓋度得到了明顯改善。2016—2019 年，河池市植被覆蓋度的較低和低等級植被覆蓋度占比均較低，全市的植被覆蓋度保持在較高或高等級植被覆蓋水平。

圖5 四個時段河池植被覆蓋度空間分布圖

利用Arcgis10.2 軟件對各等級內(nèi)面積占比進行統(tǒng)計(見表1)分析可知：(1)與2000—2005 年時段相比，河池2016—2019 年的高植被覆蓋面積占比增加了68.09%，其他等級的植被覆蓋面積占比呈現(xiàn)下降的趨勢特征。(2)相對于其他時段，2011—2015 年比2006—2010 年的中等及其以上等級植被覆蓋度面積占比變化趨勢明顯。其中高等級植被覆蓋度面積占比從15.47%提高到了61.82%，提高了約4 倍，較高等級植被覆蓋度面積占比從72.18%下降到了36.25%，中等級植被覆蓋面積占比從11.54%降低到1.67%，(3) 四個時間段的較低和低等級植被覆蓋面積占比變化不大，均小于1%，說明河池較高以上植被覆蓋面積的占比呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。

表1 不同時段各等級植被覆蓋度面積占比(%)

3 結(jié)論與討論

(1)2000—2019 年河池植被覆蓋度持續(xù)改善，總體呈現(xiàn)明顯上升趨勢，上升速率為6.839%/10a，20a 均值為72.83%，最大值出現(xiàn)在2019 年(79.6%)。2011—2015 年和2016—2019 年兩個時段的植被覆蓋度得到了明顯改善。2016—2019 年，河池市的植被覆蓋度保持在較高或高等級植被覆蓋水平。

(2) 河池1—12 月植被覆蓋度總體呈現(xiàn)上升趨勢，上升速率為1.42%/月，月均值為71.14%，月最大、最小值出現(xiàn)在8 月和2月。夏季的植被覆蓋度最大，冬季的植被覆蓋度最小。

(3)河池市99.4%的區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)正向變化，植被覆蓋度變化速度提高，植被改善。大化縣西部、巴馬縣南部及環(huán)江中西部等區(qū)域的年變化趨勢率明顯高于全市平均增長速度。

在實施退耕還林、石漠化治理等生態(tài)工程系列措施下，明顯促進了河池市植被生長恢復(fù)。除人類活動影響外，溫度、降水等作為植物生長發(fā)育的必要環(huán)境因子，對植被的生長具有重要的影響，也還需進一步深入探討河池植被覆蓋度與年平均氣溫、降雨量等氣候因子及其變化的的相關(guān)性。進一步探索更加長期、有效的生態(tài)保護措施。